Перекрытия из кирпичных сводов по стальным балкам
Обновлено: 13.05.2024
В кирпичных загородных домах старой постройки встречаются цокольные перекрытия из кирпичных сводов и железобетона (сводчатые и плоские). Иногда в качестве несущих конструкций использовались не плиты, а металлические балки.
В последнем случае плиты работают только как заполнение, поэтому часто они не армировались, а в качестве заполнителя использовался кирпичный щебень. Повреждения таких перекрытий могут быть вызваны различными причинами.
Дефекты кладки проявляются в виде нерегулярных трещин, осадки подпорок свода, трещин в пяте и в замке свода. Если дефекты возникли по статическим причинам, появляются трещины в стыковых швах кладки.
Если трещины появляются в стыковых швах кладки, кладку необходимо подпереть, а над сводом убрать пол и засыпку. Старую окраску с поврежденных мест удаляют, швы вычищают, сверху заливают цементным раствором и расклинивают. После затвердения заливки подпорки убирают.
Трещины в постельных швах ремонтируются так же, только заливку швов производят от пят свода по направлению к замку.
Пробитый свод необходимо прежде всего зафиксировать подпорками, а затем поврежденную кладку в своде устранить, и свод заново выложить качественным кирпичом. Новая кладка ставится на цементный раствор и тщательно вклинивается в старую кладку свода.
Пробитую часть свода можно отремонтировать и бетонированием поврежденного места. Небольшие дефекты ликвидируют с применением подпорок со стальными затяжками, а трещины сверху заделывают специальным цементом, который при гидратации увеличивается в объеме.
Сильно поврежденный свод необходимо отбить и заменить другой потолочной конструкцией. Перед отбиванием свод необходимо подпереть от замка по направлению к пятам, чтобы он не обрушился.
Глава 6
Ремонт крыши
Крыша дома должна быть достаточно прочной, долговечной, огнестойкой, экономичной и простой в изготовлении. От конструкции крыши в значительной степени зависит архитектурный облик здания. Наиболее распространенные формы крыш — двухскатные и мансардные. Основными элементами мансардной крыши (рис. 6.1) являются наклонные однобитные и висячие стропила. Наклонные односкатные стропила состоят из двух частей, каждая из которых включает стропильную ногу и стойку.
Стропильная нога одним концом опирается на балку чердачного перекрытия либо на венец из брусьев или бревен, а другим — на верхнюю часть стойки или обвязку. Низ стойки устанавливают на черепной брусок балки либо на нижнюю обвязку, а верх ее является опорой двухскатной треугольной фермы либо верхней обвязки. Стропила воспринимают вес кровли, снега и давление ветра. Сечения их рассчитывают в зависимости от длины пролета, угла наклона кровли и климатического района строительства.
В условиях северо-запада России и Подмосковья можно пользоваться данными табл. 6.1.
В современных условиях для элементов крыши чаще применяют обработанную древесину хвойных пород в виде досок и брусьев, что значительно упрощает процесс устройства крыши.
Чтобы крышу не подняло ветром, стропила через одно скрепляются со стеной. В деревянных рубленых стенах стропила скрепляются скобами либо металлическим уголком со вторым венцом сруба. Обрешетка поддерживает всю конструкцию кровли. Ее выполняют обычно из брусков сечением 50×50 мм, а для рулонных кровель — в виде сплошного настила из досок толщиной 25 мм и шириной 100–120 мм (рис. 6.2 и 6.3).
Ремонт элементов крыш
Из дефектов стропильной системы наиболее распространены трещины (расслоение) стропильных и наклонных ног, сколы в узловых сопряжениях, прогибы стропильных ног или прогонов, гнили в конструктивных элементах стропил, ослабление болтовых и гвоздевых соединений.
Работы по смене деревянных элементов крыш выполняются с соблюдением определенных правил:
• установленные на крыше радио- и телевизионные антенны должны быть сняты до начала разборки конструкции крыши;
• до начала разборки конструкций крыши выполняется их закрепление от обрушения, а затем разборка кровли в месте ремонта;
• вся пораженная гнилью древесина немедленно убирается с чердака, вывозится и уничтожается, а годные элементы отбираются для дальнейшего использования;
• опорные части деревянных стропил тщательно изолируются от каменных и бетонных поверхностей, опорные подкладки укладывают на два слоя толя, а обращенные к стенам их поверхности смолят;
• сечения элементов стропил принимаются в соответствии с типовыми решениями или проектом; принимать сечения стропил по размерам существовавших без проверки расчетом не допускается;
• после установки стропила надежно крепятся проволокой к специально забитым в кладку ниже уровня опорных полок ершам, а элементы стропил скрепляются между собой болтами или скобами;
• обрешетка стропил и уклоны крыши выбираются в зависимости от материалов кровли;
• слуховые окна располагаются так, чтобы обеспечить проветривание чердака.
Ремонт обрешетки также выполняется с соблюдением определенных требований:
• вновь укладываемые бруски или доски обрешетки должны быть в одной плоскости с существующей обрешеткой;
• размеры элементов обрешетки должны соответствовать существующим.
Стропила крепятся к мауэрлатам болтами или скобами, при этом все поковки должны быть покрыты антикоррозийным составом.
Грани стропил, на которые крепится обрешетка, должны находиться в одной плоскости. Пропиливание граней стропил для выравнивания обрешетки не допускается.
Бруски и доски обрешетки прибиваются гвоздями к каждой стропильной ноге. Сечение брусков обрешетки и расстояние между ними должны соответствовать типу поддерживаемой кровли. Особенно тщательно выполняется обрешетка в разжелобках, у парапетных и брандмауэрных стен, дымовых труб и слуховых окон. Стыки досок обрешетки не следует располагать по одной линии, а шляпки гвоздей должны быть утоплены в древесину.
Укладка деревянных конструкций крыш вокруг дымовых труб выполняется с соблюдением требований противопожарной безопасности.
Ремонт стропил по возможности производят без разборки обрешетки и кровли (рис. 6.4).
Смена сгнивших подкладок или мауэрлатов выполняется с соблюдением определенных правил:
• конец стропильной ноги освобождается от крепления и приподнимается домкратом на минимальную высоту, позволяющую вынуть сгнивший мауэрлат или подкладку;
• перед укладкой новой подкладки или мауэрлата поверхность кладки очищается от остатков гнилой древесины;
• вновь укладываемые мауэрлат или подкладка тщательно антисептируются и укладываются на место с изоляцией их от каменной кладки двумя слоями толя или рубероида;
• после установки и закрепления стропильной ноги производится осмотр кровли, и в случае необходимости — ее ремонт.
Смена сгнившего конца стропильной ноги выполняется постановкой одной или двух боковых накладок, вставкой вместо сгнившего конца нового куска и скреплением этих деталей со здоровой частью конструкции болтами или постановкой металлических протезов. Детали усиления и крепления стропильной ноги в месте опирания ее на мауэрлат приведены на рис. 6.5 и 6.6.
Работы выполняются с соблюдением определенных требований:
• над поврежденным участком стропила разбираются кровля и обрешетка;
• выпиливание сгнившего конца стропильной ноги выполняется после устройства временного крепления здоровой конструкции;
• до постановки деталей (накладки, вставки, протеза и т. д.) выполняется врубка этих вкладышей в мауэрлат или подготовка опоры для протеза;
• разборка временных креплений разрешается только после проверки правильности выполненных работ.
Сгнившие концы стропил удаляют, наращивая их коротышами или усиливая накладками. Кроме того, стропильную ногу на мауэрлате можно укрепить подкосами. Новые и здоровые части стропил скрепляют между собой накладками на болтах или гвоздях. До начала работ устраивают временные крепления, вывешивают стропильные ноги на необходимую высоту, удаляют поврежденные концы и подготавливают накладку или «протез». После закрепления новых деталей отремонтированную конструкцию опускают на предварительно очищенный и антисептированный мауэрлат и скрепляют соответствующим способом. При этом обязательно проверяют качество выполненных работ и исправность кровли над отремонтированным участком.
Для замены мауэрлатов и подкладок стропильные конструкции вывешивают на участке 1,5–3 м на необходимую для производства работ высоту. Поврежденный кусок удаляют, а смежные здоровые куски после очистки от гнили антисептируют. Мауэрлаты и подкладки из бруса соединяют с вывешенными конструкциями при помощи врубок, а затем укладывают на место, закрепляют постоянно, а временные подпорки убирают.
Все поверхности стропильных ног, опорных подкладок и мауэрлатов, соприкасающиеся с кладкой или бетоном, промазывают горячим битумом или мастикой, а под них обязательно подкладывают изолирующие прокладки из двух слоев рубероида или пергамина.
Ослабевшие сопряжения подкосов, стоек, ригелей, затяжек со стропильными ногами или фермами укрепляют постановкой хомутов, дополнительных скоб, скруток, накладок или пробивают гвоздями.
Смена или усиление отдельных элементов стропил выполняется в определенном порядке:
• замена разрушенного элемента стропила (например, подкоса) новым допускается только после выправления стропильной ноги до полного выравнивания плоскости кровли; выравнивание кровли нашивкой на стропильные ноги накладок не допускается;
• врубка узлов новых элементов выполняется по месту;
• при поверхностном загнивании элемента допускается отеска пораженной древесины до здорового слоя с последующим антисептированием; надежность образовавшегося сечения проверяется расчетом;
• толщина каждой накладки должна составлять половину толщины затяжки; длина накладок, диаметры болтов (нагелей), их количество и расположение определяются расчетом;
• при загнивании древесины на стыке пораженный участок удаляется и заменяется вставкой той же длины, а накладки соответственно удлиняются и скрепляются с затяжкой согласно указаниям предыдущих пунктов.
Болтовые соединения выполняются по следующим правилам:
• отверстия для болтов или нагелей необходимо сверлить сразу сквозь весь пакет деревянных элементов сверлом, большим или меньшим диаметра нагеля на 0,5 мм;
• длина болта должна быть на 50–60 мм больше толщины стыкуемого пакета, чтобы обеспечить постановку шайбы и двух гаек; длина нагеля должна быть на 10–20 мм больше толщины пакета;
• концы нагелей должны иметь усеченную коническую форму. Провисание стропил может быть устранено подведением дополнительных стоек и опор после предварительного выравнивания их временными креплениями или домкратом. Деформированную обрешетку можно ремонтировать как со стороны чердака, так и раскрывая кровлю. На обрешетку с внутренней стороны в середине пролета между стропильными ногами нашивают поперечные бруски или доски, в которые упирают поддерживающие распорки. Качество отремонтированного кровельного основания проверяют рейкой. При этом допустимые зазоры (просветы) между рейкой и основанием не должны превышать 5 мм на 1 м.
При капитальном ремонте крыш и кровель предусматривают улучшение температурно-влажностного режима чердачных помещений путем устройства коньковых и подкарнизных вентиляционных продухов и других мероприятий. Кроме того, необходимо соблюдать следующие требования:
• слуховые окна размерами не менее 600×800 мм должны устраиваться в каждой части чердака, отделенной брандмауэром;
• входные двери на чердак для вентиляции в летний период должны быть снабжены съемной проволочной решеткой 500×400 мм, заменяемой на зиму фрамугой;
• все трубопроводы и другие устройства отопительной системы на чердаке должны быть изолированы;
• вентиляционные каналы, шахты и газоходы, расположенные на чердаке, должны оборудоваться пароизоляцией из рулонных материалов или битумной обмазки;
• двери и люки вентиляционных шахт и входные двери в чердачное помещение должны быть тщательно подогнаны и закрыты.
Часть 3
Глава 7
Устройство и ремонт кровли
Кровля — это верхний покров крыши, защищающий все конструкции здания от атмосферных осадков и отводящий воду за его пределы. Кровля должна быть прочной и водонепроницаемой. Ее выполняют из рулонных материалов, волнистых асбестоцементных листов, из оцинкованной стали или черепицы, из профилированных оцинкованных стальных либо алюминиевых листов.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!
Совершенствование методики расчёта пологих железобетонных сводов, опирающихся на металлические балки
Данная статья посвящена особенностям расчёта пологих железобетонных сводов, опирающихся на металлические балки. В ней приведены основные причины ошибок при проектировании подобных конструкций, ведущие, в дальнейшем, к их неоправданному усилению.
Кроме того, разработана новая методика расчёта конструкции, учитывающая совместную работу её элементов. Данный метод использован в расчёте надподвального перекрытия Дома Мельникова в Санкт-Петербурге. Результаты расчёта сравнены со значениями, полученными в результате инструментального анализа.
Ключевые слова: железобетонные своды, расчёт, совместная работа, перекрытие.
Введение
В конце XIX — начале XX вв. одним из конструктивных решений междуэтажных перекрытий в зданиях было перекрытие по металлическим балкам. Межбалочные заполнения могли быть различными — из кирпичных, бетонных или железобетонных сводов, из плоских кирпиче-железных покрытий, с использованием волнистого железа или гипсовых досок. Самым распространённым среди них являлось перекрытие с накатом в виде бетонных сводиков.
Рис. 1. Междуэтажное перекрытие по металлическим балкам
Высокая степень огнестойкости, коррозионная стойкость, а также дешевизна железа и цемента и простота их изготовления способствовали массовому внедрению данной конструкции в строительство гражданских зданий, а способность выдерживать значительные нагрузки — в строительство некоторых фабричных и промышленных зданий.
Подобные конструкции перекрытий использовались недолго и перестали применяться уже в первой трети XX века. В основном, это произошло из-за активного использования в строительстве железобетонных конструкций.
Несмотря на то, что перекрытия по металлическим балкам с накатом в виде бетонных сводиков применялись сравнительно недолго, зданий с подобным конструктивным решением сохранилось немало.
Многие из таких перекрытий по результатам визуального осмотра и поверочного расчёта находятся в неудовлетворительном состоянии и нуждаются в ремонте, усилении или замене конструкций. Несмотря на это, они продолжают воспринимать приложенные к ним нагрузки.
Этот факт говорит о том, что в настоящее время нет достоверных методик расчёта перекрытий со сводчатым заполнением. Рассмотрим основные причины их отсутствия.
Основные причины отсутствия достоверных методик расчёта
Из всех факторов, приводящих к неверным расчётам рассматриваемых перекрытий, можно выделить два основных:
- Ошибочный анализ напряжённо-деформированного состояния конструкции перекрытия.
Появление в конце столетия плоских бетонных сводчатых конструкций не вызвало должного научного интереса. Учёных волновал, в основном, бетон как строительный материал, так как на тот момент он ещё не был достаточно изучен. Характер работы самой конструкции детально не исследовался. С учётом того, что подъём свода составлял всего от 1/6 до 1/12 от пролёта, его геометрией пренебрегали, рассматривая конструкцию как обычную балку. Подтверждение этому можно найти во многих научных работах того времени. Например, в книге В. Р. Бернгарда «Арки и своды. Руководство к устройству и расчёту арочных и сводчатых перекрытий», 1901 г., сказано следующее: «Конструкция плоских сводов на металлических балках относится к балочным перекрытиям, и здесь не подлежит рассмотрению».
Точно такой же подход используется и при современных поверочных расчётах. Между тем, он совершенно недопустим. Своды, даже плоские, имеют горизонтальные реакции распора, которые отсутствуют в балках. Такой некорректный анализ напряжённо-деформированного состояния конструкции и приводит в дальнейшем к ошибкам в расчётах.
Рис. 2. Опорные реакции: А — в балке, Б — в своде
- Отсутствие необходимости в расчёте конструкции перекрытия.
При строительстве зданий были нередки случаи, когда расчёт конструкций перекрытий не проводился. Объяснялось это тем, что учёные опирались на накопленный опыт и брали конструкции «на глаз», с большим запасом прочности. Кроме того, при необходимости они могли жёстко зафиксировать концы балок в стене, тем самым заметно уменьшить прогиб и увеличить прочность конструкции.
Между тем, такие ошибки при расчётах приводят к сильно заниженным результатам, и, как следствие, к неоправданному усилению конструкций и перерасходу материала. Таким образом, возникает необходимость в совершенствовании методов расчёта сводчатых перекрытий.
Эта цель может быть достигнута путём приведения конструкции перекрытия к комбинированной конструкции, в которой металлические балки будут работать совместно с бетонными сводами.
Расчёт надподвального перекрытия Дома Мельникова вСанкт-Петербурге
В 2017 г. Институтом проектирования и обследования строительных конструкций, зданий и сооружений Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета была выполнена оценка технического состояния несущих конструкций надподвального перекрытия Дома Мельникова, расположенного по адресу: Сапёрный пер., д.10, лит. Б.
Рис. 3. Надподвальное перекрытие. Фрагмент
Данные конструкции состояли из бетонных сводов, опёртых на металлические балки. Сечение балок — I № 25 немецкого сортамента [4], пролёт — 7,8 м.
По данным инструментального анализа прогиб балки составил 3,0 см.
Рис. 4. Надподвальное перекрытие. Фрагмент
Произведём аналитический расчёт данного надподвального перекрытия.
Проверяем наиболее нагруженный участок перекрытия. Несущими элементами перекрытия являются металлические балки I№ 25 немецкого сортамента [4] (Ix=4966 см 4 , Wx=397 см 3 , Aб=49,7 см 2 , P n =39 кг/м) и работающие совместно с ними бетонные своды. Расстояние между балками a=1,5 м.
Расчётный пролёт балки l0 принимаем равным
где l — длина балки, м; l’ — величина заделки балки в кирпичную стену, м.
Производим сбор нагрузок на балку перекрытия (см. Табл. 1).
Сбор нагрузок на балку перекрытия
№п/п
Наименование
Нормативная нагрузка, кг/м
Коэффициент надёжности по нагрузке
Собственный вес металлической двутавровой балки, I25 немецкого сортамента
Оценка несущей способности металлических балок в составе кирпичных сводов
Рассматривается проблема отсутствия методики расчета несущей способности металлической балки в составе кирпичного свода. Показана неточность метода расчета балки как отдельного элемента.
Ключевые слова: металлическая балка, кирпичные своды, несущая способность, методика расчета.
В современной практике обследования исторических зданий довольно часто встречаются перекрытия в виде кирпичных сводов.
Сводчатые перекрытия обладают достаточно высокой несущей способностью, а также долговечностью и огнестойкостью. К недостаткам таких перекрытий можно отнести большой собственный вес, а также сложность оценки несущей способности конструкции в целом [1].
В нормативной литературе не отражены методики расчета, которые описывают действительную работу конструкции кирпичного свода по металлическим балкам.
По результатам визуального обследования и поверочных расчетов часто делается вывод о недопустимом или аварийном состоянии металлических балок. Отсутствие нормативных методик расчета зачастую приводит к бесполезным работам по усилению или демонтажу перекрытий [2–5].
На рис. 1 приведены фотографии кирпичного сводчатого перекрытия по металлическим балкам с различных объектов. На представленных фотографиях можно увидеть, что металлические балки поражены коррозией, однако других дефектов, свидетельствующих о превышении их несущей способности (значительные прогибы, трещины по сводам и пр.), не выявлено.
Рис. 1. Перекрытия в виде кирпичных сводов по металлическим балкам на различных объектах культурного наследия: сверху — «Красный дом», г. Ивангород; слева — «Дворец культуры», г. Выборг; справа — Учебный корпус СПб ГМТУ
Целью настоящей статьи является анализ методики расчета несущей способности металлической балки в существующих конструкциях без учета совместной работы с кирпичным сводом.
Произведем расчет несущей способности металлической балки на примере одного из вышеописанных объектов. Уровень ответственности здания нормальный.
Конструкции перекрытия состоят из кирпичных сводов, опертых на металлические балки. Сечение балок — двутавр № 18 Германского нормального сортамента, пролет
Производим оценку несущей способности металлической балки № 18 Германского нормального сортамента со следующими геометрическими характеристиками:
В результате сбора нагрузок на балку перекрытия расчетная нагрузка с учетом нагрузки от собственного веса балки, кирпичного заполнения, пирога пола составила
Согласно п. 18.2.4 [6] для зданий до 1932 года постройки принимаем расчетное сопротивление стали
Согласно Техническому заключению по результатам обследования сводчатое заполнение представлено кирпичом керамическим полнотелым маркой по прочности М75, марка раствора М25. Удельный вес кирпичной кладки принимаем 1800 кг/м 3 . Высота свода 200 мм, стрела подъема свода
Принимаем расчетный пролет с учетом величины заделки балки в кирпичную стену:
— пролет балки в свету, м;
— величина заделки балки в кирпичную стену, м.
Балки рассматриваются как обособленные стержневые элементы системы, нагруженные весом кирпичного заполнения.
Расчетная схема элемента представляет собой однопролетную шарнирно опертую балку.
Изгибающий момент от расчетной нагрузки:
Расчет на прочность выполняем по формуле 41 1 :
коэффициент условий работы.
Около 35–50 % запаса прочности металлической балки приходится на нагрузку от веса кирпичного заполнения. При анализе несущей способности металлических балок на аналогичных объектах, в различных условиях (длина пролета, сечение балки, высота сводчатого перекрытия и прочее) коэффициент использования находится в пределах 1,6…2,2. Полученный результат противоречит фактическому состоянию конструкции перекрытия.
Такой метод оценки несущей способности металлической балки в составе кирпичного свода не учитывает совместную работу конструкций.
Совместная работа может быть учтена путем:
– приведения конструкции к общему сечению через сопоставления разных геометрических и жесткостных характеристик элементов;
– учета силы трения, возникающего на контакте материалов в результате действия горизонтальной распорной реакции от двух смежных сводов.
Необходимо выполнить натурные испытания подобных конструкций, для анализа напряженно-деформированного состояния.
Эксперимент позволит получить необходимые данные о работе металлической балки и всей конструкции в целом. Результаты испытания будут являться обоснованием для возможности учета совместной работы разнородных материалов.
1. Лахтин Н. К. Расчет арок и сводов. М.: 1911. — с.480.
2. Лаптев Е. А. Оценка несущей способности перекрытий по стальным балкам с накатом в виде сводиков в зданиях Санкт-Петербурга: ВКР магистра: 08.04.01/ Лаптев Е. А. — СПб., 2016. — 55 с.
3. Фролов А. В., Зимин С. С., Фролова Е. В. Влияние жесткости кирпичного сводчатого заполнения на несущую способность балок. // Синергия наук. — 2017. № 10. — с.580–592.
4. Фролов А. В., Зимин С. С., Фролова Е. В. Методика расчета несущей способности балок с учетом жесткости кирпичного сводчатого заполнения// Синергия наук. — 2017. № 10. — с.593–619.
5. Попов А. О., Антипина В. В. Технология перекрытий конструкции «Монье»// Успехи современной науки. — 2017. Том 4, № 1. — с.179–182.
6. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*»
Основные термины (генерируются автоматически): металлическая балка, несущая способность, кирпичный свод, балок, кирпичное заполнение, совместная работа, Германский нормальный сортамент, кирпичная стена, методика расчета, расчетная нагрузка.
Совместная работа железобетонных плит перекрытий и стальных балок
В настоящее время в строительстве, а также при реконструкции и реставрации гражданских и промышленных зданий широко применяются сталежелезобетонные конструкции перекрытий. Сталежелезобетонные конструкции — большой класс строительных конструкций, отличающихся как по конструктивному признаку, так и по степени использования фактора совместной работы бетона и стали. Эти столь различные строительные материалы эффективно сочетаются и дополняют друг друга. С 1802 года — момента изобретения железобетона сталь и бетон неразрывно связаны друг с другом. Так же как не существует железобетонного строения без стали, не существует и стального строительства без бетона [1].
Есть несколько типов сталежелезобетонных конструкций, используемых в строительстве зданий и сооружений:
а) Композитные конструкции из железобетонных плит и стальных балок, объединенных для совместной работы конструкции при помощи специальных крепежей или путем обетонирования стальных балок. Основные типы поперечных сечений приведены на рис. 2.
Рис. 2. Варианты поперечных сечений композитных конструкций из железобетонных плит со стальными балками: а) стальная балка и плита объединены при помощи анкерных упоров; б) стальная балка частично обетонирована и объединена с плитой при помощи анкерных упоров; в) стальная балка и плита с вутами объединены при помощи анкерных упоров; г) стальная балка частично обетонирована, сборные железобетонные плиты опираются на нижний пояс балки через лист; д) и ж) опирание плиты по профилированному настилу на стальную балку (промежуточная опора настила), е) опирание плиты по профилированному настилу на частично обетонированную стальную балку (крайняя опора настила); з) полное обетонирование стальной балки; и) опирание железобетонной плиты на нижний пояс балки, анкерные упоры на полке балки; к) опирание железобетонной плиты на нижний пояс балки, анкерные упоры на стенке балки
б) сталежелезобетонные плиты с профилированным настилом, конструкция плиты с профилированным настилом;
в) железобетонные конструкции с жесткой арматурой, работающие на центральное или внецентренное сжатие, растяжение;
г) трубобетонные конструкции с внешней стальной оболочкой в виде круглой трубы, с бетонным ядром без арматуры или с бетонным ядром, армированным продольной гибкой арматурой (с железобетонным ядром).
Обратимся к композитным конструкциям из железобетонных плит и стальных балок.
Объединение в совместную работу железобетонной плиты и стальных балок дает возможность получить достаточно эффективные конструкции перекрытий, надежно работающих как при статических, так и при динамических нагрузках. При этом на участке положительных моментов железобетонные плиты выполняют функцию сжатого верхнего пояса, а нижняя часть стальной балки — растянутого нижнего пояса. Такое распределение усилий ведет к уменьшению сечения стальной балки [2]. На участке отрицательных моментов железобетонные плиты только тогда могут включиться в работу, когда растягивающие усилия, появляющиеся при этом в бетоне, будут преодолены с помощью предварительного напряжения. Предварительно-напряженные сталежелезобетонные балки выгодны только при больших пролетах, что подойдет для производственных зданий.Чем интенсивнее железобетонная плита включается в совместную работу со стальной балкой, тем при меньшей затрате металла можно добиться требуемой несущей способности пролетного строения.
Для достижения совместной работы в сталежелезобетонной конструкции необходимо соединить стальные балки с лежащими на них железобетонными плитами так, чтобы обеспечить надежное восприятие появляющихся между ними сил сдвига. Если этого не сделать, то несущие способности обоих элементов просто суммируются, тогда как несущая способность объединенного сечения существенно возрастает. Это можно пояснить на примере штабеля свободно лежащих друг на друге досок (рис. 1.а и 1.б), которые имеют такую же общую несущую способность, как если бы они лежали рядом друг с другом. Только соединение досок гвоздями, которые воспринимают силы сдвига, обеспечивает большую несущую способность балки, сбитой из досок (рис. 1.в) [1].Исключение сдвига в области контакта составных частей при возникновении нагрузок обеспечивается за счет адгезионных свойств, трения и зацепления соединительных элементов. Эти элементы могут быть изготовлены как жесткие и гибкие упоры, анкеры. На изгиб работают упоры жесткого типа.
Рис. 2. Штабель свободно лежащих друг на друге досок: а, б — свободно лежащие друг на друге доски; в — доски, соединенные гвоздями
Работа объединенных железобетонной плиты и стальной балки отличается от работы конструкций, чья работа учитывается независимо друг от друга: когда стальная балка не объединена с железобетонной плитой, она несет нагрузку одна. Нейтральная ось находится посередине высоты балки. В случае совместной работы, нейтральная ось сдвигается вверх. Верхняя полка балки из стали находится близко к нейтральной оси и может иметь меньшую площадь по сравнению с нижней полкой. При этом в случае одинаковых наибольших напряжениях в нижнем поясе угол эпюры напряжений и прогиб балки значительно меньше, чем в конструкции, где железобетонная плита и стальная балка работают раздельно.
При твердении свежий бетон уменьшается в объеме вследствие происходящих в нем химических процессов. При длительном действии нагрузки в бетоне со временем проявляются неупругие деформации. В сталежелезобетонных балках этим явлениям подвержена только железобетонная плита. Если в объединенной со стальной балкой железобетонной плите происходят деформации в результате явлений усадки и ползучести в результате действия изгибающего момента, то ее несущая способность значительно снижается. При этом стальная балка воспринимает долю нагрузки. Происходит перераспределение усилий. Это явление должно учитываться при расчете комбинированных несущих конструкций большого пролета.
Эффективность сталежелезобетонных конструкций по сравнению с цельно стальными или железобетонными достигается за счет совместной работы двух материалов (бетона и стали), т. е. реализации одного из основополагающих принципов проектирования — принципа совмещения функций различных элементов [3]. По сравнению с несоставными балками достигается экономия массы стали от 30 до 50 %, также увеличивается жесткость конструкции и тем самым уменьшается прогиб перекрытия.
Использование сталежелезобетонных конструкций особенно эффективно в перекрытиях общественных и производственных зданий при больших нагрузках.
Как и у всяких конструкций у сталежелезобетонных конструкций есть свои недостатки:
- Необходимость устройства объединительных элементов;
- Появление специфических воздействий, вызванных перепадом температур, усадкой и ползучестью бетона;
- Усложнение расчетов на прочность и жесткость, необходимость учета двухстадийной работы конструкции, трещинообразования, ползучести бетона, сдвига разнородных материалов по поверхности контакта и других специфических факторов
Проектирование сталежелезобетонных балок затрудняет отсутствие в России нормативных документов по сталежелезобетонным конструкциям в гражданском и промышленном строительстве. Имеется лишь СП 35.13330.2011 Мосты и трубы, где приведены нормы расчета сталежелезобетонных пролетных строений. Эти нормы проектирования адаптируют под строительство зданий и сооружений. Нередко российские проектировщики обращаются к Еврокоду EN 1994–1-1 Проектирование сталежелезобетонных конструкций. Издано руководство для проектировщиков к Еврокоду 4. Его наличие существенно упрощает пользование иностранным нормативным документом. В настоящее время ведется разработка свода правил Сталежелезобетонные сооружения. Правила проектирования. Однако, отсутствие нормативных документов не препятствует изучению сталежелезобетонных конструкций в России. Испытания таких конструкций активно проводятся в Казанском государственном архитектурно-строительном университете. Результаты этих испытаний представлены в работах [4], [5].
1. Харт Ф., Хенн В., Зонтаг Х. Атлас строительных конструкций. — М.: Стройиздат, 1977. — 352 с.
2. Туснин А. Р. Перекрытия многоэтажных зданий со стальным каркасом // Промышленное и гражданское строительство. — 2015. — № 8. — С. 10–14.
4. Замалиев, Ф.С., Сагитов Р. А., Хайрутдинов Ш. Н. Испытание фрагмента сталежелезобетонного перекрытия на статические нагрузки // Известия КазГАСУ —2010. —№ 1 (13). —С. 102–105.
5. Замалиев, Ф.С., Шаймарданов Р. И. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных конструкций на крупномасштабных моделях. // Известия КазГАСУ, 2008, № 2 (10). — С. 47–52.
Основные термины (генерируются автоматически): стальная балка, железобетонная плита, конструкция, совместная работа, балок, нейтральная ось, бетонное ядро, друг досок, ползучесть бетона, Россия.
Перекрытия из кирпичных сводов по стальным балкам
Многочисленные попытки установить, где и когда было впервые использовано перекрытие с лучковыми сводами по стальным балкам, при устройстве сводчатой части которых использована кирпичная кладка, не увенчались успехом. Поэтому в строительной и реставрационной практике название - «свод Монье» стало нарицательным.
На начальном этапе своего становления в строительной практике своды, устроенные по типу "Монье" выполнялись из кирпича и опирались на стальные или железные рельсы, а заполнения пролетной части выполнилось из кирпича по кружалам. Здания, имеющие перекрытия такого типа встречаются вдоль строящихся железных дорог в период с 1840-х годов.
При этом встречаются конструкции сводов, опирающихся на чугунные грибовидные рельсы (изготовленные по дюймовой системе измерений), с явно выраженной головкой примыкающей к стенке рельса, с подошвой имеющей проушины. Кроме указанной выше конструкции рельса использовались чугунные рельсы конструкции П.К. Фролова (выпуклых рельсов с эллиптической формой поверхности катания), двухголовые рельсы и широкоподошвенные рельсы. С 1870- хх гг. появляются своды Монье, которые в качестве опорных балок имеют стальные рельсы, изготовленные по Виньолевскому типу (рельсы, состоящие в поперечном сечении из яблока, узкой шейки и пяты).
Рождение железобетона относят к середине XIX века. В 1850-1855 гг. француз Жан Луи Ламбо построил лодку из армированного цемента, которая считается первым прототипом железобетона. Впервые патент на использование железобетона взял в 1854 году английский штукатур Вильям Уилкинсон. В дальнейшем он широко применял железобетон при строительстве перекрытий, а в 1865 году возвел в Ньюкастле-на-Тайне небольшой домик, целиком из железобетонных конструкций. Из железобетона здесь были выполнены не только стены и перекрытия, но также лестницы, ступени и дымовая труба. В 1861 году Вильям Уилкинсон издал книжку с описанием назначения железобетонных изделий и способов их использования.
В 1867 г. француз Жозеф Монье (фр. Joseph Monier, 8 ноября 1823, Saint-Quentin de poterie, Франция — 12 марта 1906, Париж) получил патент на изготовление цветочных кадок из железа и цемента. Жозефу Монье понадобилось изготовить садовую кадку для посадки апельсинового дерева. В качестве материала он воспользовался простым цементным раствором. Но с течением времени в кадке появились трещины. Возникшая проблема была решена простым укреплением сооружения с помощью железных обручей. Однако произведя несколько поливок, началось ржавление поверхности. Для укрепления кадки Монье наложил сверху еще один слой раствора. Это стало рождением первого железобетонного изделия. В 1868 г. Монье построил небольшой железоцементный бассейн. И вскоре Монье стал обладателем патентов на изготовление железобетонных труб и резервуаров.
Монье расширил области применения железобетонных изделий. 1873 год ознаменовался производством моста из железобетона, спустя 5 лет он занялся балками и шпалами. В 1880 году все изобретения относительно нового стройматериала были объединены одним патентом и заявлено их патентование в Германии и Российской Империи.
В 1886 году немецкий инженер Гюстав Вайс (Gustav Adolf Wayss, 1851—1917) купил патент Монье и усовершенствовал принцип железобетона. Его исследования и основание строительной фирмы Wayss & Freytag привели к распространению идей Монье по всему миру.
Различные испытания и исследования материала позволили установить, в чем основной просчет разработки Жозефа Монье. Гюстав Вайс спустил армирование из середины плиты в ее нижнюю часть.
Монье неодобрительно отнесся к модернизации своего изобретения. Но Вайс все-таки доказал французу правильность своего решения. В итоге, идея соединить бетон с железом принадлежит Монье, а метод армирования – Гюставу Вайсу. Впоследствии Вайсом была увеличена длина плит перекрытий до 5 м. В настоящее время она достигла 12 м.
Своды «Монье» получили широкое распространение, в строительной практике России, начиная со второй половины XIX века и до времени индустриализации. При этом их конструкция претерпела значительные изменения.
К началу XX века в общестроительную практику входят лучковые своды из бетона, бутобетона и железобетона, опирающиеся на стальные прокатные двутавровые балки. Здания с подобными перекрытиями появляются как в больших губернских центрах, так и в уездных портовых городах.
В 1903 г. профессор А.Ф. Лолейт на съезде по расширению применения железа в России сделал доклад «Система Монье. Ее применение, промышленное значение и вопросы, связанные с распространением железобетона».
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон. 1890—1907:
Система конструкции Монье, теперь весьма распространенная в архитектуре и инженерном деле и состоящая из соединения цемента с железом. Удачные результаты соединения двух превосходных строительных материалов, как железо и цемент, привели к тому, что система Монье получила весьма обширное и разнородное применение. Удобство этой конструкции заключается в том, что железо, заделанное в цементе, крепко к нему пристает и не ржавеет. Притом коэффициент расширения бетона из портландского цемента (0,0000137 до 0,0000148) приблизительно одинаков с коэффициентом расширения железной проволоки (0,0000145), так что изменения температуры не влияют на сцепление обоих материалов. Так как железо превосходно сопротивляется растяжению, а бетон обладает значительным сопротивлением сжатию, то, например, в работающей на изгиб балке, одни волокна которой испытывают растягивающие напряжения, а другие сжимающие, на каждый из этих двух материалов приходится тот род усилий, которым он лучше сопротивляется. Конструкция эта составляется из железных стержней и полос определенного сечения и длины в зависимости от действующих усилий и окружающего их цементного слоя. Потолки этой системы состоят из прямых или изогнутых плоских или сводчатых плит, опирающихся непосредственно на стены и поддерживающих собственный вес и приходящуюся на них нагрузку. При этом железные полосы сопротивляются вытягивающим и сжимающим усилиям, а окружающая их цементная оболочка препятствует боковому прогибу полос, соединяя их в одну систему, где ни одна часть не может ни передвинуться, ни изогнуться независимо от другой. Эта система в настоящее время применяется к устройству полов, потолков и сводов в гражданских зданиях, а также для возведения стен и отдельных подпор взамен каменной кладки при устройстве водопропускных труб и мостов под обыкновенными и железными дорогами, не исключая городских монументальных мостов (мост через реку Канзас в гор. Топека, длиной 211,3 м, из 5 пролетов в 29,7—33,5—38,1—33,5 и 29,7 метров).
В Челябинске сохранилось полтора-два десятка старинных зданий, где были применены своды Монье в перекрытиях. Также много аналогичных зданий в других городах Челябинской области. Гораздо реже встречаются примеры использования сводов Монье при устройстве балконов. В Челябинске сохранился единственный старинный дом с подобным балконом.
После революции использование сводов Монье становится редкостью. Однако в конце 1920-х – начале 1930-х годов при возведении жилых домов вновь вспомнили о сводах Монье. В Златоусте, Магнитогорске и Челябинске было возведено несколько домов с балконами, в конструкции которых была применена система Монье.
Читайте также: